Produzione globale di cereali - DistaGenomics

Elementi di Genetica Vegetale
Roberto Tuberosa
Dipartimento di Scienze agrarie
Viale Fanin 44
Tel. 051-2096646
[email protected]
www.distagenomics.unibo.it
Elementi di Genetica Vegetale
Genetica Agraria
F. Lorenzetti, S. Ceccarelli, F. Veronesi
Editore: Patron, Bologna
Vecchia Edizione
Genetica Agraria
Genetica e biotecnologie per l'agricoltura
F. Lorenzetti, S. Ceccarelli, D. Rosellini
Editore: Pàtron Bologna
SBN: 8855531239
Nuona Edizione
Elementi di Genetica Vegetale
Titolo: Genetica e genomica
Autori: Barcaccia Gianni, Falcinelli Mario
Editore: Liguori
Volume 1, 2, 3
ISBN: 8820737426 ISBN-13: 9788820737429
Data pubblicazione: 2005 -2007
Produzione globale di cereali
4500
Target
4000
Current trend
3500
Climate change
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
1961
1965
1969
1973
1977
1981
1985
1989
1993
1997
2001
2005
2009
2013
2017
2021
2025
2029
2033
2037
2041
2045
2049
Million
Tonnes
Scorte mondiali di cereali
NEL 2000
BASTAVANO AD
ALIMENTARE
L’UMANITÀ PER
115
GIORNI
Scorte mondiali di cereali
NEL 2008
BASTAVANO
PER
57
GIORNI
Nuove piante ad usi non alimentari
… cattive notizie …
• Eccessivo utilizzo di fertilizzanti e fitofarmaci
• Aumento dell’uso di combustibili fossili
• Aumento dell’erosione dei suoli
• Ogni anno, 1% di superficie irrigua è persa
• Le risorse irrigue stanno diminuendo
• 2.5 miliardi di persone in più nel 2050
• Raddoppio della domanda di alimenti entro il 2050
• Superficie coltivata disponibile pro-capita:
– 0,45 ha. in 1966
– 0,25 ha. in 1998
– 0,15 ha. in 2050
Febbraio 2006
Agosto 2008
Variazioni nella resa
previste per il 2080.
Ewert et al. 2005.
Variazione
in resa (%)
+70%
-70%
< 10% di
terreni arabili
Resa (t ha-1)
Produttività del mais (t ha-1) negli USA
’93
’88
L’incremento produttivo dovuto al miglioramento genetico è imputabile
per lo più ad un aumentata resistenza agli stress abiotici (Duvick, 1999).
Fattori limitanti della produzione e della qualità del prodotto
Ozono
Caldo
Freddo
Stress
abiotici
Siccità
Eccesso
idrico
Metalli
pesanti
Salinità
Elementi
nutritivi
La rivoluzione del gene:
un nuovo paradigma
• Sequenziare l’intero genoma di una specie
• Valutare l’espressione dei geni
• Selezionare sulla base di profili molecolari
• Isolare singoli geni
• Ingegneria genetica
Il contributo delle biotecnologie
• Techniche di colture in vitro:
- micropropagazione
- produzione di doppi aploidi
- criopreservazione
• Tecnologie di processo
• Genomica
- profili molecolari
- mappatura del genoma
- selezione assistita
- genomica funzionale
- clonaggio di geni/QTL
• Ingegneria genetica
Dimensione del genoma
• Arabidopsis
130.000.000 paia di basi
• Riso
440.000.000
“
• Pomodoro
900.000.000
“
2.500.000.000
“
16.000.000.000
“
3.000.000.000
“
• Mais
• Frumento
• Homo sapiens
Caratteri monogenici e poligenici
Poligenici
• Caratteri “Mendeliani”
• Variazione discontinua
• Nullo o scarso l’effetto
dell’ambiente
• Caratteri quantitativi
• Variazione continua
• Notevole l’effetto
dell’ambiente
Frequenza
Monogenici
Altezza pianta
GENETICA QUANTITATIVA
Analisi di caratteri la cui variabilità è determinata
sia dai geni che dai fattori ambientali
Geni
Ambiente
Apporto idrico,
fertilizzanti,
temperatura, ecc.
Genotipo
Fenotipo
Per caratteri quantitativi il fenotipo è scarsamente
informativo circa il genotipo che lo determina
Miglioramento genetico delle colture agrarie
SELEZIONE BASATA SUL FENOTIPO:
• Si seleziona sulla base della variabilità osservata a
livello fenotipico.
• Agisce sul fenotipo in toto.
SELEZIONE BASATA SUL GENOTIPO:
• Si seleziona tramite il profilo molecolare (DNA) a loci
associati ai geni preposti al controllo dei caratteri di
interesse agronomico.
• Agisce su regioni precise del genoma.
Sviluppo di una nuova varietà tramite
selezione assistita con marcatori molecolari
Parentale resistente
Parentale suscettibile
X
Reincrocio assistito con marcatori
Gene
Selezione assistita con marcatori (MAS)
• La MAS viene utilizzata in molti
programmi di selezione
– Riduce i tempi per costituire nuove
varietà migliorate
– Va integrata con metodiche tradizionali
• Le strategie genomiche aumentano
l’efficacia della selezione e richiedono
estese conoscenze molecolari e
fisiologiche
Courtesy of Jonathan Lynch
Courtesy of Jonathan Lynch
Quantitative Trait Loci for root architecture traits correlated with
drought tolerance and phosphorus acquisition in common bean
Beebe et al. (2006). Crop Science 46: 413–423
Selezione assistita per tolleranza a
fusariosi in frumento duro
Collaborazione:
DipSA-UniBO
Società Produttori Sementi Spa Bologna
SSSSSRSSSSSSSSSSSRS
Piante che portano l’allele di
resistenza alla fusariosi
530
530
530
Profili AFLP di cultivar di frumento duro
500
500
500
495
495
495
460
460
460
400
400
364
364
364
350
350
350
300
300
255
255
204
204
204
200
200
200
145
145
100
100
50
50
530
500
495
460
400
400
364
350
300
300
255
255
204
200
145
145
100
100
50
50
Courtesy of Enrico Noli & colleagues, LARAS, DISTA
Mappe genetiche: le autostrade della genomica
Profilo valore LOD
LOD
Profilo valore LOD
LOD
QTL
GENOMICA
X
Genotipo
Sequenza
Geni
QTL
Fenotipo
Mappa
genetica (cM)
Mappa
fisica (kb)
Sequenza
DNA
Annotazione
DNA
Varshney R. and Tuberosa R. (2007). Genomics-Assisted Crop Improvement, Springer.
Dal QTL al gene
… alla ricerca dell’ago nel pagliaio …
Resistenza alla siccità
Precocità di fioritura  “escape” (fuggire)
Profondità radice  “avoidance” (evitare)
Vegetative to generative transition 1 (Vgt1)
Gaspé Flint
N28E
Salvi et al., 2007. Proc. Nat. Acad. Sci. 104: 11376
N28
N28E
N28
Attività di MAS per i maggiori stress abiotici
Tipo di
stress
QTL
QTL
maggiori clonato
MAS
in atto
Rilascio
di cvs.
Siccità
+
Sì
+
No
Sommersione
+++
Sì
+++
Sì
Salinità
+++
Sì
+++
No
Basso N
++
Sì
+++
No
Basso P
++
Sì
++
No
Alluminio
++
Sì
+++
Sì
Boro
+++
Sì
+++
Sì
Freddo
++
Sì
+
No
Nuove linee Sub1 dopo 17 giorni di sommersione
IR64-Sub1
Samba-Sub1
Samba
IR49830 (Sub1)
Samba
IR64
IR42
IR42
IR64
IR49830 (Sub1)
IR49830 (Sub1)
IR64-Sub1
IR64
Samba
Samba-Sub1
IR64-Sub1
IR42
IR49830 (Sub1)
IR42
IR64-Sub1
Samba
IR49830 (Sub1)
SambaSub1
IR64
Courtesy of David Mackill, IRRI